崔恒榮 陸云龍 沈 偉 孫 蕓 王 偉 孫曉瑋

（中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050）

引 言

自從美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將3.1～10.6 GHz這個(gè)頻段分配給超寬帶（UWB）應(yīng)用以來，超寬帶天線得到了較多的研究［1-3］.印刷超寬帶單極子天線因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、全向輻射和容易加工等優(yōu)點(diǎn)使其成為一種應(yīng)用較多的設(shè)計(jì)方案［4-5］.為了增加天線的阻抗帶寬，在天線設(shè)計(jì)中引入了多種技術(shù)手段，如在貼片單元或者基底上開個(gè)細(xì)縫［6-7］、在天線貼片的對(duì)角上開縫或開槽［8-9］.但是，一些通信系統(tǒng)的工作頻段恰好在超寬帶系統(tǒng)的工作帶寬之內(nèi)，這會(huì)對(duì)超寬帶系統(tǒng)造成干擾，例如：IEEE802.11a的 WLAN （5.15～5.85GHz）系統(tǒng)和IEEE 802.16的 Wimax（3.3～3.6GHz）系統(tǒng).為了消除這些電磁干擾，在超寬帶的天線上增加1個(gè)或2個(gè)的阻帶顯得十分必要，這方面已有一些研究結(jié)果［10-12］.傳統(tǒng)方法主要包括：在貼片天線或者基底上開縫［10，12］，增加寄生單元［13］等.

利用邊緣相似諧振器產(chǎn)生3.3～3.6GHz的阻帶，邊緣相似諧振器放置在天線的底面，諧振器的中間通過通孔與天線貼片相連.將單個(gè)開路微帶諧振器嵌入在天線的饋線中產(chǎn)生頻率在5.15～5.85 GHz的阻帶.阻帶的中心頻率和帶寬可以通過調(diào)整諧振器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制.在2.7～11GHz的頻段內(nèi)，設(shè)計(jì)的超寬帶單極子天線電壓駐波比（VSWR）在2以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)阻帶特性.

1 天線設(shè)計(jì)與阻帶結(jié)構(gòu)分析

1.1 天線模型

圖1給出了具有雙阻帶特性的超寬帶單極子天線的物理模型.天線基底采用的是Rogers 4350，介電常數(shù)和厚度分別為3.48mm和0.762mm.基板上層是單極子天線，天線采用50Ω的微帶線進(jìn)行饋電.并且，在50Ω的饋線上嵌入了單個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器，用來產(chǎn)生消除 WLAN信號(hào)干擾的阻帶.在基板的底面，放置一個(gè)邊緣相似的諧振器，其中心通過一排通孔與單極子天線相連，利用邊緣相似諧振器可以產(chǎn)生消除Wimax信號(hào)干擾的阻帶.優(yōu)化后的天線參數(shù)見表1所示.

圖1 天線物理模型

表1 優(yōu)化后的天線參數(shù)取值，mm

1.2 四分之一波長開路微帶諧振器

利用嵌入在天線饋線中的單個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器來實(shí)現(xiàn)阻帶特性，這與傳統(tǒng)的嵌入兩個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器相比，具有結(jié)構(gòu)更簡單和帶寬更窄的優(yōu)勢(shì).首先，我們先對(duì)傳統(tǒng)的兩個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器進(jìn)行分析.圖2（a）給出了相應(yīng)的等效電路模型.該電路結(jié)構(gòu)可以采用奇-偶模式分析，圖2（b）和（c）給出了響應(yīng)的奇模和偶模等效電路.

圖2 傳統(tǒng)的雙四分之一波長開路微帶諧振器

對(duì)于偶模等效電路，端口1處的輸入導(dǎo)納可以表示為

式中，β是傳輸線的波數(shù)；Y1和Y2是傳輸?shù)奶卣鲗?dǎo)納.

根據(jù)電路諧振條件

將式（1）代入式（2），可以得到偶模等效電路的諧振條件為

類似地，對(duì)于奇模等效電路，端口1處的導(dǎo)納為

利用電路諧振條件，奇模等效電路的諧振條件為

相應(yīng)的S參數(shù)可以表示為

圖3給出了單個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器結(jié)構(gòu)的等效電路.圖4給出了傳統(tǒng)的雙四分之一波長開路微帶諧振器和單個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器的仿真結(jié)果比較.可以看到，在中心頻率為5.5GHz的頻點(diǎn)，這兩個(gè)諧振器都能產(chǎn)生諧振，利用嵌入的單個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器能得到更小的帶寬和更簡單的結(jié)構(gòu).

進(jìn)一步分析，利用單個(gè)四分之一波長開路微帶諧振器諧振產(chǎn)生阻帶帶寬和中心頻率可以用參數(shù)L1和S1分別獨(dú)立進(jìn)行控制.圖5和圖6給出了不同取值的參數(shù)L1和S1對(duì)阻帶的中心頻率和帶寬的影響.由圖5可以看出：阻帶的中心頻率隨著參數(shù)L1取值的增大而向低頻移動(dòng)，并且不同的L1取值，對(duì)阻帶的帶寬沒有影響.而對(duì)于阻帶帶寬的控制可以由參數(shù)S1實(shí)現(xiàn)，增大S1的取值會(huì)增加阻帶的帶寬，從圖6我們可以看到這個(gè)結(jié)果.

1.3 邊緣相似諧振器結(jié)構(gòu)

利用邊緣相似諧振器可以產(chǎn)生頻率帶寬為3.3～3.6GHz的阻帶，邊緣相似諧振器的全長為一個(gè)波導(dǎo)波長.該諧振器通過中心的一排通孔與單極子天線相連，因此，整個(gè)邊緣相似諧振器可以看成是兩個(gè)半波長的諧振器.阻帶的中心頻率可以利用如下公式得到：

式中：

式中：fr是由邊緣相似諧振器產(chǎn)生的阻帶的中心頻率；εr是基板材料的相對(duì)介電常數(shù)；c是光在自由空間傳播的速度.

圖7給出了參數(shù)L2對(duì)阻帶中心頻率的影響.可以看出，隨著L2取值的增大，阻帶中心頻率會(huì)往低頻端移動(dòng).

另外，和四分之一波長開路微帶諧振器一樣，在阻帶外的通帶內(nèi)存在一定的插損，這部分插損會(huì)對(duì)偶極子天線在相應(yīng)工作頻率上的增益有所降低.但因?yàn)椴鍝p值較小，對(duì)天線增益的影響也很小.

圖7 參數(shù)L2取值對(duì)阻帶中心頻率的影響

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

天線實(shí)物照片見圖8.天線的測試基于Anilent N5245A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其結(jié)果見圖9.利用上文中提到的兩個(gè)諧振器，分別實(shí)現(xiàn)了3.3～3.6GHz和5.15～5.85GHz兩個(gè)阻帶特性.除去這兩個(gè)阻帶之外，天線在2.7～11GHz頻段范圍內(nèi)，電壓駐波比都小于2，并且跟仿真結(jié)果吻合很好.細(xì)微的差別可能是由加工誤差、介質(zhì)的介電損耗或者SMA頭的寄生效應(yīng)所引起.我們采用Satimo SG24標(biāo)準(zhǔn)版天線測試系統(tǒng)對(duì)該天線進(jìn)行輻射性能方面的測試.圖10和11給出了天線的輻射方向圖、增益和輻射效率的測試結(jié)果.對(duì)于遠(yuǎn)場的方向圖，分別選取了3GHz、6GHz和10GHz進(jìn)行測試.從圖10可以看出，天線具有跟傳統(tǒng)單極子天線類似的輻射特性.除兩個(gè)阻帶頻率之外，天線在整個(gè)UWB帶寬內(nèi)具有可接受的增益和輻射效率，而在阻帶內(nèi)，天線的輻射效率和增益急劇下降，并且在阻帶的中心頻率處達(dá)到最小值.

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種簡單的具有雙阻帶特性的超寬帶單極子天線，其雙阻帶頻率分別在3.3～3.6GHz和5.15～5.85GHz頻段.文章對(duì)產(chǎn)生阻帶的兩種諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并且，通過改變諧振器的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻帶的中心頻率和帶寬的獨(dú)立控制.天線采用PCB技術(shù)進(jìn)行加工，測量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合很好.

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